DE102020100719A1 - Verfahren zur redundanten Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges umfassend eine Vorderachslenkung (2) mit einem selbsthemmenden Vorderachslenksteller (20), mittels dessen die beiden Vorderräder (FL,FR) gekoppelt lenkbar sind und eine Hinterachslenkung (3) mit einem selbsthemmenden Hinterachslenksteller (30), mittels dessen die beiden Hinterräder (RL,RR) gekoppelt lenkbar sind, wobei folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind:
• Feststellen, dass eine der Lenkungen (2,3) einen Fehler aufweist;
• Abschalten der fehlerbehafteten Lenkung (2,3) und Ansteuern der fehlerfreien Lenkung (2,3), wobei der Lenksteller (20,30) der fehlerfreien Lenkung (2,3) derart angesteuert wird, dass eine aus einer ins Lenkrad eingeleiteten Lenkbewegung abgeleitete Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird oder dass eine von einem autonomen Fahrmodus vorgegebenen Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Kraftfahrzeug, das dazu ausgebildet ist, dieses Verfahren auszuführen.
  • Elektrische Lenksysteme weisen zumindest einen Aktuator auf, der den Lenkeinschlag wenigstens eines gelenkten Rades steuert. Es sind elektrische Lenksysteme bekannt, bei denen jedes gelenkte Rad von einem separaten Stellglied gesteuert wird. Unter den bekannten elektrischen Lenksystemen gibt es zum Beispiel solche, die keine mechanische Verbindung zwischen den gelenkten Rädern und dem Lenkrad haben, und solche, die ebenfalls keine mechanische Verbindung haben, um den Lenkeinschlag zwischen den gelenkten Rädern selbst zu synchronisieren.
  • Die sicherheitsrelevanten Anforderungen an ein elektrisches Lenksystem sind äußerst hoch. Das elektrische Lenksystem muss eine derartige Redundanz aufweisen, dass im Falle eines Ausfalls eines Lenkaktuators, das Kraftfahrzeug lenkbar bleibt.
  • Aus der Übersetzung der europäischen Patentschrift DE 603 15 116 T2 ist ein redundantes Lenksystem mit jeweils einem Aktuator an einem lenkbaren Vorderrad bekannt, wobei im Notbetriebsmodus, welcher bei einem Ausfall eines gegebenen Rad-Stellglieds aktiviert wird, das Steuergerät einen Sollwert eines Ausgleichslenkeinschlags für das vom Ausfall nicht betroffene Vorderrad bestimmt. Als nachteilig erweist sich diese Lösung dahingehend, dass viele Komponenten notwendig sind, um den Notlenkbetrieb zu ermöglichen, was mit einem hohen Kostenfaktor verbunden ist.
  • Weiterhin ist aus dem Stand der Technik die Offenlegungsschrift DE 10 2008 000 365 A1 bekannt, in der eine Allradlenkung beschrieben ist, bei der in den Radaufhängungen aller Räder des Fahrzeugs mindestens ein Lenker durch einen Steller ersetzt ist, wobei bei Ausfall eines Radstellers, die anderen Radsteller die Lenkaufgabe übernehmen, um eine Lenkbarkeit des Fahrzeugs zu gewährleisten. Hierbei werden ebenfalls viele Komponenten benötigt, um die Redundanz abzubilden.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges anzugeben, das bei einem Ausfall eines elektrischen Stellglieds, die Spursteuerung des Kraftfahrzeugs gemäß dem Wunsch des Fahrers so weit wie möglich aufrechthalten kann, zumindest um das Kraftfahrzeug in Sicherheit zu bringen.
  • Diese Aufgabe wird von einem Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem elektrischen Lenksystem sowie einem Kraftfahrzeug, die dazu ausgelegt ist, ein solches Verfahren auszuführen, gelöst. Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Demnach ist ein Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges umfassend eine Vorderachslenkung mit einem selbsthemmenden Vorderachslenksteller, mittels dessen die beiden Vorderräder gekoppelt lenkbar sind und eine Hinterachslenkung mit einem selbsthemmenden Hinterachslenksteller, mittels dessen die beiden Hinterräder gekoppelt lenkbar sind, vorgesehen, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
    • • Feststellen, dass eine der Lenkungen (Hinterachs- oder Vorderachslenkung) einen Fehler aufweist;
    • • Abschalten der fehlerbehafteten Lenkung und Ansteuern der fehlerfreien Lenkung, wobei der Lenksteller der fehlerfreien Lenkung derart angesteuert wird, dass eine aus einer ins Lenkrad eingeleiteten Lenkbewegung abgeleitete Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird oder dass eine von einem autonomen Fahrmodus vorgegebenen Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird.
  • Durch die Bereitstellung von Stellgliedern sowohl an der Vorderachse als auch an der Hinterachse des Kraftfahrzeuges kann eine notwendige Redundanz verteilt werden. Dies ermöglicht die Nutzung von Synergien zwischen reduzierter Ausfallwahrscheinlichkeit und verbesserter Fahrtüchtigkeit, da auf beiden Achsen vollwertige Lenkaktuatoren vorhanden sind. Insbesondere für Fahrzeuge, die mit einer Hinterachslenkung ausgestattet werden müssen, die höhere Lenkwinkel ermöglicht, wird ein Vorteil bei den Gesamtkosten, verglichen mit einem Konzept, das auf einem vollständig redundanten Stellglied an der Vorderachse basiert, erzielt. Ein Fehler beschreibt einen Zustand, in dem die Vorderachslenkung oder die Hinterachslenkung nicht so funktionieren wie erwartet und/oder wie vorgegeben.
  • Vorzugsweise ist ein vom fehlerfreien Lenksteller gestellter Radlenkwinkel größer als ein Radlenkwinkel des Vorderachslenkstellers im fehlerfreien Zustand beider Lenkungen zum Erreichen derselben Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges wäre. Die Winkellage der Räder der vom Ausfall betroffenen Lenkung kann so durch die fehlerfreie Lenkung kompensiert werden.
  • Vorzugsweise weist das Kraftfahrzeug sowohl einen Vorderachsantrieb als auch einen Hinterachsantrieb auf. Weiterhin ist es denkbar und möglich, dass das Kraftfahrtzeug mehrachsig ausgebildet ist, beispielsweise mit drei Achsen.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftfahrzeug einen Hinterradantrieb oder Vorderradantrieb mit einer Torque-Vectoring-Steuerung auf, der im fehlerbehafteten Zustand einer Lenkung die fehlerfreie Lenkung beim Erreichen der Soll-Bewegung unterstützt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Verfahren folgende Schritte umfasst:
    • • Ermitteln des Lenkwinkels des Lenkmittels und der Position des Gaspedals;
    • • Umrechnen dieses Fahrerwunsches anhand eines Fahrzeugmodells in Soll-Gierrate, Soll-Schwimmwinkel, Soll-Längsbeschleunigung und Soll-Querbeschleunigung;
    • • Berechnen eines Fehlervektors zwischen den Soll-Werten und den entsprechend geschätzten oder gemessenen Ist-Werten, wobei der Fehlervektor den Unterschied zwischen Ist- und Sollzustand wiedergibt.
  • Vorzugsweise ist weiterhin folgender Verfahrensschritt umfasst:
    • • Minimieren des Fehlervektors mittels Ansteuern des Hinterachslenkstellers und Torque-Vectoring.
  • Es ist zudem vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug eine Steuereinheit des Lenksystems mit einer ersten Untereinheit aufweist, in die der Lenkwinkel des Lenkmittels und die Position des Gaspedals einfließen, wobei aus diesen Parametern ein Fahrerwunsch ermittelt wird, der mit Hilfe eines Kraftfahrzeugmodells auf den aktuellen Kraftfahrzeugzustand umgerechnet wird. Bevorzugt fließen dazu die folgenden gemessenen oder geschätzten Parameter in eine Steuerlogik zur Fehlerkompensation ein: Kraftfahrzeuggeschwindigkeit, Gierrate, Querbeschleunigung, geschätzter Vorderradlenkwinkel oder gemessener Lenkwinkel, und geschätzter Schwimmwinkel. Die Steuerlogik bestimmt dann vorzugsweise einen einzuschlagenden Soll-Hinterradlenkwinkel für die Hinterradlenkung und ein Soll-Differenzmoment für den Vorderradantrieb oder den Hinterradantrieb.
  • Für den Fall, dass ein Hinterradantrieb zur Verfügung steht, ist es vorteilhaft, wenn folgender Schritt ausgeführt wird: Ansteuern des Hinterradantriebs mittels der Torque-Vectoring-Steuerung, wobei das Ansteuern derart ausgeführt wird, dass zwischen den Hinterrädern ein Differenzmoment entsteht, welches ein Giermoment hervorruft. Das Giermoment kompensiert bevorzugt die durch die blockierte Vorderachslenkung hervorgerufene Seitenkraft, so dass der Schwimmwinkel Null ist und die Vorderräder nicht blockieren.
  • Für einen Vorderradantrieb gilt vorzugsweise eine analoge Steuerung.
  • Weiterhin sind ein elektrisches Lenksystem mit einer Steuereinheit vorgesehen, die dazu eingerichtet ist, das zuvor beschriebene Verfahren auszuführen und ein Kraftfahrzeug mit einem solchen elektrischen Lenksystem.
  • Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
    • 1: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit Vorderachs- und Hinterachslenkung mit Ausfall der Vorderachslenkung und Durchfahrt einer Linkskurve,
    • 2: eine schematische Darstellung des Kraftfahrzeugs der 1 mit Ausfall der Vorderachslenkung und Durchfahrt einer Rechtskurve,
    • 3: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs der 1 mit Ausfall der Hinterachslenkung und Durchfahrt einer Linkskurve,
    • 4: eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs der 1 mit Ausfall der Hinterachslenkung und Durchfahrt einer Rechtskurve,
    • 5: ein Blockdiagramm einer Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges im Notlenkbetrieb,
    • 6: ein Blockdiagramm einer Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges im Notlenkbetrieb, sowie
    • 7: ein Diagramm der Abhängigkeiten von Giermoment, Soll-Schwimmwinkel und Fehlerwinkel der Vorderradlenkung.
  • In den 1 bis 4 ist ein elektrisches Lenksystem 1 mit Vorderachs- und Hinterachlenkung 2,3 und Vorder- und Hinterachsantrieb 4,5 dargestellt. Die Vorderachslenkung 2 weist einen elektrischen Vorderachslenksteller 20, bevorzugt ein Zentralsteller auf, über den beide Vorderräder FL,FR gekoppelt lenkbar sind. Der elektrische Vorderachslenksteller 20 wirkt bevorzugt über ein erstes Zahnstangen-Lenkgetriebe auf die Vorderräder FL,FR. Die beiden Vorderräder FL,FR werden von einem einzelnen Aktuator 40 angetrieben. Die Hinterachslenkung 3 weist einen elektrischen Hinterachslenksteller 30, bevorzugt einen Zentralsteller auf, über den beide Hinterräder RL,RR gekoppelt lenkbar sind. Der elektrische Hinterachslenksteller 30 wirkt bevorzugt über ein zweites Lenkgetriebe auf die Hinterräder RL,RR. Die beiden Hinterräder RL,RR werden ebenfalls von einem einzelnen Aktuator 50 gemeinsam angetrieben. Beide Lenksteller 20,30 sind selbsthemmend ausgebildet und weisen einen größeren Hub als herkömmliche Lenksteller auf.
  • Für den Fall, dass einer der Lenksteller 20,30 ausfällt, übernimmt der jeweils andere Lenksteller 20,30 die Lenksteuerung.
  • Die 1 und 2 zeigen einen Ausfall der Vorderachslenkung 2. Der ausgefallene oder fehlerbehaftete Vorderachslenksteller 20 ist ausgeschaltet und damit in der zuletzt angesteuerten Position fixiert. Der Fahrerwunsch wird mittels eines in ein Lenkrad eingeleiteten Lenkwinkels und der Position des Gaspedals bestimmt und auf den Kraftfahrzeugzustand umgerechnet (wie z. B. Schwimmwinkel, Gierrate, Kraftfahrzeugbeschleunigung). Die berechneten Sollwerte werden an den Hinterachslenksteller 30 und das Torque-Vectoring-System weitergeben, um das Kraftfahrzeug in die vom Fahrer gewünschte Richtung mit der gewünschten Geschwindigkeit und der Gierrate zu steuern.
  • Die Hinterachslenkung 3 schlägt dabei in diesem Ausführungsbeispiel mit einem höheren Radlenkwinkel in die entsprechende Richtung ein als eine funktionsfähige Vorderachslenkung dies tun würde, um dem Fahrerwunsch nachzukommen.
  • 1 zeigt das Durchfahren einer Linkskurve. In 2 ist das Durchfahren einer Rechtskurve dargestellt.
  • Die 3 und 4 zeigen das Kraftfahrzeug, wobei dessen Hinterachslenkung 30 ausgefallen ist. Die Vorderachslenkung 20 übernimmt den Notlenkbetrieb. In diesem Fall verbleiben die Hinterräder RR,RL in der zuletzt angesteuerten Position des Lenkstellers 2 fixiert. Die Vorderachslenkung 20 kann eine Fehlstellung der Hinterräder RR,RL kompensieren, indem die Vorderräder FL,FR mit einem höheren Radlenkwinkel beaufschlagt werden als das der Fall bei freibeweglichen Hinterrädern RR,RL wäre, wobei dem Fahrerlenkwunsch nachgekommen wird.
  • 5 zeigt ein Blockdiagramm einer Steuerung des elektrischen Lenksystems des Kraftfahrzeuges für einen Notlenkbetrieb mittels Hinterachslenkung 3. Die Steuereinheit des Lenksystems 6 weist eine erste Untereinheit 7 auf, in die der Lenkwinkel δSW des Lenkmittels und die Position des Gaspedals Sped einfließen. Aus diesen Parametern wird ein Fahrerwunsch ermittelt. Der Fahrerwunsch wird dann auf den Kraftfahrzeugzustand umgerechnet. Dazu fließen die folgenden gemessenen oder geschätzten Parameter in eine Steuerlogik zur Fehlerkompensation 8 ein:
    • Kraftfahrzeuggeschwindigkeit vveh, Gierrate ψ, Querbeschleunigung ay, geschätzter Vorderradlenkwinkel δFA,est oder gemessener Lenkwinkel δFA,meas, und geschätzter Schwimmwinkel βveh,est. Die Steuerlogik 8 bestimmt einen einzuschlagenden Soll-Hinterradlenkwinkel δRA,req für die Hinterradlenkung 3 sowie ein Soll-Drehmoment TRA,req für den Hinterradantrieb 5. Zudem wird ein Soll-Drehmoment TFA,req für den Vorderradantrieb 4 bestimmt. Aus den Soll-Drehmomenten wird ein-Differenzmoment ΔT für den Hinterradantrieb 5 gebildet. Durch das Soll-Differenzmoment ΔT entsteht ein Giermoment, welches die durch die blockierte Vorderachslenkung 2 hervorgerufene Seitenkraft kompensiert, so dass der Schwimmwinkel βveh Null ist und die Vorderräder FL,FR nicht blockieren.
  • 6 zeigt den Zustand, dass die Hinterachslenkung 3 ausfällt. Es fließen entsprechend der Beschreibung für Notlenkbetrieb mittels Hinterachslenkung 3 die Parameter in die Steuerlogik zur Fehlerkompensation 8 ein, wobei ein geschätzter Hinterradlenkwinkel δfr,est oder ein gemessener Lenkwinkel δRA,meas in die Fehlerkompensation 8 einfließen. Die Steuerlogik 8 bestimmt einen einzuschlagenden Soll-Vorderradlenkwinkel δFA,req für die Vorderradlenkung 2 sowie ein Soll-Drehmoment TFA,req für den Vorderradantrieb 4. Zudem wird ein Soll-Drehmoment TRA,req für den Hinterradantrieb 5 bestimmt. Aus den Soll-Drehmomenten wird ein-Differenzmoment ΔT für den Vorderradantrieb 4 gebildet.
  • Im Detail werden somit bevorzugt folgende Verfahrensschritte ausgeführt:
    • Ermitteln des Lenkwinkels des Lenkmittels und der Position des Gaspedals und umrechnen dieses Fahrerwunsches anhand eines Fahrzeugmodells in Soll-Gierrate, Soll-Schwimmwinkel, Soll-Längsbeschleunigung und Soll-Querbeschleunigung. Wobei in einem nächsten Schritt anhand der geschätzten oder gemessenen Ist-Gierrate, Ist-Querbeschleunigung, Ist-Längsbeschleunigung und dem Ist-Schwimmwinkel ein Fehlervektor berechnet wird, der den Unterschied zwischen Ist- und Sollzuständen wiedergibt. Dieser Fehlervektor wird dann durch Eingriff von Torque-Vectoring und Hinterachslenkung minimiert.
  • Das Torque-Vectoring-System des zur Verfügung stehenden Antriebs ermöglicht somit den Ausfall der Vorderachslenkung 2 zu kompensieren.
  • 7 zeigt ein Diagramm in dem das benötigte Giermoment T gegen den Soll-Schwimmwinkel βveh,req aufgetragen ist. Die drei Kurven geben dabei unterschiedliche Fehlerwinkel der Vorderradlenkung wieder für den Zustand, dass das Fahrzeug sich in einer Geradeausposition befindet. Der Fehlerwinkel entspricht einer Abweichung des jeweiligen Radlenkwinkels von seinem Wert im fehlerlosen Zustand. Von links nach rechts gesehen, beträgt der Fehlerwinkel -2°, -1° und 0°. Das System ist dabei dazu ausgelegt, den Fehlerwinkel zu minimieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 60315116 T2 [0004]
    • DE 102008000365 A1 [0005]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Lenksystems eines Kraftfahrzeuges umfassend eine Vorderachslenkung (2) mit einem selbsthemmenden Vorderachslenksteller (20), mittels dessen die beiden Vorderräder (FL,FR) gekoppelt lenkbar sind und eine Hinterachslenkung (3) mit einem selbsthemmenden Hinterachslenksteller (30), mittels dessen die beiden Hinterräder (RL,RR) gekoppelt lenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte vorgesehen sind: • Feststellen, dass eine der Lenkungen (2,3) einen Fehler aufweist; • Abschalten der fehlerbehafteten Lenkung (2,3) und Bereitstellen der fehlerfreien Lenkung (2,3), wobei der Lenksteller (20,30) der fehlerfreien Lenkung (2,3) derart angesteuert wird, dass eine aus einer ins Lenkrad eingeleiteten Lenkbewegung abgeleitete Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird oder dass eine von einem autonomen Fahrmodus vorgegebenen Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges erreicht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein vom fehlerfreien Lenksteller (20,30) gestellter Radlenkwinkel größer ist als ein Radlenkwinkel des Vorderachslenkstellers (20) im fehlerfreien Zustand beider Lenkungen (2,3) zum Erreichen derselben Soll-Bewegung des Kraftfahrzeuges wäre.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug sowohl einen Vorderachsantrieb (4) als auch einen Hinterachsantrieb (5) aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftfahrzeug einen Hinterradantrieb mit einer Torque-Vectoring-Steuerung aufweist, der im fehlerbehafteten Zustand einer Lenkung (2,3) die fehlerfreie Lenkung (2,3) beim Erreichen der Soll-Bewegung unterstützt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst: • Ermitteln eines Lenkwinkels (δSW) eines Lenkmittels und einer Position eines Gaspedals (sped); • Umrechnen dieses Fahrerwunsches anhand eines Fahrzeugmodells in Soll-Gierrate, Soll-Schwimmwinkel, Soll-Längsbeschleunigung und Soll-Querbeschleunigung; • Berechnen eines Fehlervektors zwischen den Soll-Werten und entsprechend geschätzten oder gemessenen Ist-Werten, wobei der Fehlervektor den Unterschied zwischen Ist- und Sollzustand wiedergibt.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass folgender Verfahrensschritt weiterhin umfasst ist: • Minimieren des Fehlervektors mittels Ansteuern des Hinterachslenkstellers und Torque-Vectoring.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der folgende Verfahrensschritt umfasst ist: • Ansteuern des Hinterradantriebs mittels der Torque-Vectoring-Steuerung, wobei das Ansteuern derart ausgeführt wird, dass zwischen den Hinterrädern (RL,RR) ein Differenzmoment (ΔT) entsteht, welches in ein Giermoment (T) des Kraftfahrzeuges resultiert.
  8. Elektrisches Lenksystem (1) mit einer Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, das Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
  9. Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Lenksystem (1) nach Anspruch 8.
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